玻璃是一种脆性材料，它的机械强度可用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。玻璃之所以得到广泛应用，原因之一就是它的耐压强度高，硬度也
高。但是，由于玻璃的抗折和抗张强度不高，并且脆性较大，使得玻璃的应用受到一定的限制。为了改善玻璃的这些性能，可采用退火、钢化（火）、表面处理与涂层、微晶化或与其他材料制成复合材料等方法来强化。这些方法中有的可使玻璃抗折强度成倍甚至十几倍的增加。
玻璃的强度与组成、表面和内部状态、环境温度、样品的几何形状、热处理条件等因素有关。
（1）理论强度与实际强度 所谓材料的理论强度，就是从不同理论角度来分析材料所能承受的最大应力或使原子（离子或分子等）发生分离所需的最小应力。其值取决于原子间的相互作用及热运动。
玻璃的理论强度可通过不同的方法进行计算，其值约为（1～1．5）×10^10Pa。由于晶体和无定形物质结构的复杂性，玻璃的理论强度可近似按σth＝xE进行计算。其中，E为弹性模量，x为与物质结构和键型有关的常数，一般x＝0．1～0．2。按此式计算，石英玻璃的理论强度为1．2×10^10Pa。
表1－6列出一些材料的弹性模量、理论强度与实际强度的数据。
由表1－6可看出，块状玻璃的实际强度比理论强度低得多，大约相差2～3个数量级。块状玻璃实际强度这样低的原因，是由于玻璃本身的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表面微裂纹）、内部不均匀区及缺陷的存在等造成应力集中所引起的（由于玻璃受到应力作用时不会产生流动，表面上的微裂纹便急剧扩展并且应力集中，以致破裂）。其中表面微裂纹对玻璃强度的影响尤为重要。
（2）玻璃的断裂力学 断裂力学是固体力学中研究带裂纹材料强度的一门学科，它在生产上有着重要的应用价值。断裂力学首先承认材料内部有裂纹存在，着眼于裂纹尖端局部地区的应力和变形情况来研究带裂纹构件的承载能力和材料抗脆断性能（断裂韧性）与裂纹之间的定量关系，研究裂纹发生和扩展的力学规律，从而提出容许裂纹设计方法，防止材料的脆断。
①断裂力学的基本概念 格里菲斯于1920年首先总结出的材料断裂机理，该机理解释了材料实际强度比理论强度低的原因，并提出了有名的脆性断裂理论。该理论的要点如下。
当外力超过σf时，则裂纹自动传播而导致断裂。而且当裂纹扩展时，式（1－7）中c随之变大，σf也相应下降，故裂纹继续扩展所要求的应力条件就
更低。
玻璃极限强度（临界强度），即试样发生断裂时的负荷，比理论强度低。常用脆性材料中的微裂纹引起强度降低这一概念来加以解释，格里非斯认为：不同大小的裂纹需要不同的应力オ能扩展。裂纹的形状，裂纹与张应力的作用方向等不同时，其玻璃的极限强度计算公式也不同。此外，若材料中不仅存在微裂纹，而且还有晶格位错时，其强度降低的更多。
②玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展 玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质、缺陷或微不均匀区，在这些地方引起应力的集中导致微裂纹的产生。外加负荷越小，裂纹增长越慢。经过一定时间后，裂纹尖端处的应力越来越大，超过临界应力时，裂纹就迅速分裂，使玻璃断裂（图1－8）。由此
可见，玻璃断裂过程分为两个阶段：第一阶段主要是初生裂纹缓慢增长，形成断裂表面的镜面部分；第二阶段，随着初生裂纹的增长，次生裂纹同时产生和增长，在其相互相遇时就形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹。如果裂纹源在断裂的表面，则产生呈半圆形的镜面；如果裂纹源从内部
发生，则镜面为圆形。
按照格里菲斯的概念，在裂纹的尖端存在着应力集中，这种应力的集中是驱使裂纹扩展的动力。
从裂纹扩展过程中的能量平衡，可推导出临界断裂应力σc的近似值为:
式中A＇一一常数；
γ一形成单位面积新表面的表面能。
而材料的理论强度计算公式为:
由式（1－8）与式（1－9）相比较，当裂纹长度c接近于ro，也就是裂纹尺寸控制在原子间平衡距离的水平，材料的强度可达到理论值，这实际上是很难做到的。由此可见，研究裂纹源的产生，掌握和控制裂纹的大小及传播速率就显得非常重要。
根据断裂力学理论的推导对裂纹前缘应力场的研究，以应力场强度因子K来描述这个应力场，一般K可用下式表示：
满足式（1－10）的临界条件时的K值为Kc，Kc值称为临界应力强度因子或断裂韧性。则：
值，根据式（1－11）还可求出玻璃的临界裂纹半长度Ca：
表1－7各种玻璃的K值
玻璃的实际裂纹长度可以利用扫描电子显微镜或其他测试设备测定，测出的表面微裂纹的长度与计算出的临界半裂纹长度比较，如远小于临界裂纹长度，说明玻璃在此应力下可以使用。
裂纹的扩展速度为：
E一玻璃的弹性模量。
（3）影响玻璃强度的主要因素 影响玻璃强度的主要因素有：化学键强度、表面微裂纹、微不均匀性、结构缺陷和外界条件如温度、活性介质、疲劳等。
化学组成 固体物质的强度主要由各质点的键强及单位体积内结合键的数目决定。对不同化学组成的玻璃来说，其结构间的键力及单位体积的键数是不
同的，因此强度的大小也不同。对硅酸盐玻璃来说，桥氧与非桥氧所形成的键，其强度不同。石英玻璃中的氧离子全部为桥氧，Si一O键力很强，因此石英玻璃的强度最高。就非桥氧来说，碱土金属的键强比碱金属的键强要大，所以含大量碱金属离子的玻璃强度最低。单位体积内的键数也即结枃网络的疏密程度，结构网稀，强度就低。图1－9所示为上述三种不同结构、强度的玻璃。
图1－9三种不同结构、强度的玻璃
在玻璃组成中加入少量Al2O3或引入适量B2O3（小于15％），会使结构网络紧密，玻璃强度提高。此外CaO、BaO、PbO、ZnO等氧化物对强度提高的作用也较大，MgO、Fe2O3等对抗张强度影响不大。玻璃的抗张强度范围为（34．3～83．3）×10^6 Pa，各组成氧化物对玻璃抗张强度提高作用顺序为：
各组成氧化物对玻璃抗压强度提高作用顺序为（括号中的成分作用大致相同）：
玻璃的抗张强度σF和抗压强度σc可按加和法则用下式计算：
这些计算系数见表1－8，应当指出，由于影响玻璃强度的因素很多，因而计算所得的强度精度往往较低，只具有参考价值，一般最好进行测定。
表1－8计算抗张强度及抗压强度的系数
②表面微裂纹 前面所述玻璃强度与表面微裂纹密切相关。格里非斯（ Griffith）认为玻璃破坏时首先是从表面微裂纹开始，随着裂纹逐渐扩展，导致
整个试样的破裂。根据测定，在1mm^2玻璃表面上含有300个左右的微裂纹，这些微裂纹的深度约为4～8nm。由于这些微裂纹的存在，使玻璃的抗拉、抗折强度仅为抗压强度的1／15～1／10。
为了克服表面微裂纹的影响，提高玻璃的强度，可采取两个途径。其一是减少和消除玻璃的表面缺陷。其二是使玻璃表面形成残余压应力，以克服表面微裂纹的扩展时的拉应力作用。为此可采用表面火焰抛光、氢氟酸腐蚀等，以消除或钝化微裂纹；还可采用淬冷（物理钢化）或表面离子交换（化学钢化），以获得压应力层。例如，把玻璃在火焰中拉成纤维，在拉丝的过程中，原有微裂纹被火焰熔去，并且在冷却过程中表面产生压应力层，从而强化了表面，使玻璃纤维的强度大幅增加。
③微不均匀性 通过电镜观察证实，玻璃中存在徽相和微不均匀结构。它们是由分相或形成离子群聚而致。微相之间易生成裂纹，且其相互间的结合力比较薄弱，又因成分不同，热膨胀不一样，必然会产生应力，使玻璃强度降低。微相之间的热膨胀系数差别越大，冷却过程中生成微裂纹的数目也越多。
不同种类玻璃的微不均匀区大小不同，有时可达20nm。微相直径在热处理后有所增加，而玻璃的极限强度是与微相直径大小的开方成反比，微相增加则强度降低。
④玻璃中的宏观和微观缺陷宏观缺陷如固体夹杂物（结石）、气体夹杂物（气泡）、化学不均匀（条纹）等常因成分与主体玻璃成分不一致，膨胀系数不同而造成内应力。同时由于宏观缺陷提供了界面，从而使微观缺陷（如点缺陷、局部析晶、晶界等）常常在宏观缺陷的地方集中，从而导致裂纹的产生，严重影响玻璃的强度。
⑤活性介质 活性介质（如水、酸、碱及某些盐类等）对玻璃表面有两种作用：一是渗入裂纹像楔子（斜劈）一样使微裂纹扩展；二是与玻璃起化学作用破坏结构（如使硅氧键断开）。因此在活性介质中玻璃的强度降低。水引起强度降低最大。玻璃在醇中的强度比在水中高40％，在醇中或其他介质中含水分越高，越接近在水中的强度。在酸或碱的溶液中当pH＝1～11．3范围（酸和碱都在0．1mol／L以下），强度与pH值无关（与水中相同，在1mol／L的浓度时，对强度稍有影响，酸中减小，碱中增大，6mol／L浓度时各增减约10％）。
干燥的空气、非极性介质（如煤油等）、憎水性有机硅等，对强度的影响小，所以测定玻璃强度最好在真空中或液氮中进行，以免受活性介质的影响。相反，在SO2气氛中退火玻璃，可在玻璃表面生成一层白霜（Na2SO4），这层白霜极易被冲洗掉，结果使玻璃表面的碱金属氧化物含量减少，不仅增加了化学稳定性，也提高了玻璃的强度。
⑥温度 低温与高温对玻璃强度的影响是不同的。在接近绝对零度（－273℃附近）到200℃范围内，强度随温度的上升而下降。此时由于温度的升高，裂纹端部分子的热运动增强，导致结合键的断裂，增加玻璃破裂的几率。在200℃左右时强度最低。高于200℃时，强度逐渐增加，这可归因于裂口的纯化，缓和了应力的集中。
⑦玻璃中的应力 玻璃中的残余应力，特别是分布不均匀的残余应力，使强度大为降低。实验证明，残余应力增加到1．5～2倍时，抗弯强度降低9％～12％。玻璃进行钢化后，使其表面产生均匀的压应力、内部形成均匀的张应力，则能大大提高制品的机械强度。经过钢化处理的玻璃，其耐机械冲击和热冲击的能力比经良好退火的玻璃要高5～10倍。
⑧玻璃的疲劳现象 在常温下，玻璃的破坏强度随加荷速率或加荷时间的变化而变化。加荷速率越大或加荷时间越长，其破坏强度越小，短时间不会破坏的负荷，时间久了可能会破坏，这种现象称之为玻璃的疲劳现象。玻璃在实际使用时，当经受长时间、多次负荷的作用，或在弹性变形温度范围内经受多次温差的冲击，都会受到“疲劳”的影响。例如用玻璃纤维做试验，若短时间内施加为断裂负荷60％的负荷时，只有个别试样断裂，而在长时间负荷作用下，全部试样都断裂。
研究表明，玻璃的疲劳现象是由于在加荷作用下微裂纹的扩展而逐渐加深所致。此时周围介质特别是水分将加速与微裂纹尖端的SiO2网络结构反应，使网络结构破坏，导致裂纹的延伸。而玻璃在液氮、更低温度下和真空中，不出现疲劳现象。此外，疲劳与裂纹大小无关。
